Měření mechanického napětí v mostních a zavěšených konstrukcích

Znalost hodnoty mechanického napětí v závěsech či předpjatých prvcích mostních konstrukcí je významným údajem pro zajištění jejich správné funkce a bezpečného provozu. Tyto údaje jsou důležité jak ve fázi výstavby mostní konstrukce, kdy umožňují kontrolu hodnot předepsaných či předpokládaných projektantem, tak po dobu celé životnosti konstrukce, zejména s ohledem na eventuální krizové události, jako jsou havárie, vichřice, povodně, půdní sesuvy a podobně.

Zjištění aktuálního napjatostního stavu dané konstrukce je nenahraditelným podkladem pro rozhodnutí o případné rekonstrukci či výměně poškozeného prvku, který již přestal plnit svou funkci. Řada klasických metod pro měření mechanického napětí, jako jsou například tenzometry, je pro dlou­hodobé nasazení v náročných terénních podmínkách nevhodná. Řešením může být magnetoelastický dynamometr DYNAMAG®, který se vyznačuje odolností vůči klimatickým vlivům a dlouhodobou životností v řádu desítek let v různých místech instalací.

Fyzikální princip měřicí metody

Fyzikální princip měřící metody je založen na magnetoelastickém jevu, tedy na měření změn magnetických vlastností feromagnetických materiálů, které jsou způsobeny mechanickým namáháním. Při mechanickém namáhání – tlaku, tahu, torzi nebo ohybu – dochází ke změně tvaru hysterezní smyčky feromagnetického materiálu. Z toho je možno určit změnu permeability, která souvisí s působícím mechanickým napětím. Současným měřením v několika pracovních bodech s různým stupněm magnetického nasycení se získá síť kalibračních charakteristik – závislost relativní permeability na působící síle. Inverzní charakteristiku lze již přímo využít pro zjištění síly na základě naměřené hodnoty relativní permeability.

Prvky měřicího systému

Základním prvkem měřicího systému DYNAMAG® jsou magnetoelastické snímače DSCS ve tvaru dutého válce (obr. 1), který se nasune na měřený prvek (ocelová lana, tyče, kabely). Jsou vybaveny elektronickým identifikátorem a přesným teploměrem. Mohou být umístěny ve volných částech předpjatých prvků nebo být zality do betonu. Vyrábějí se standardně v typizovaných rozměrech, nejčastěji v průměrech 20–102 mm. Lze však vyrobit i jiný rozměr dle konkrétních požadavků. Snímače se připojují k měřicí jednotce NT800 (obr. 2), která zajišťuje impulsní magnetizaci měřeného materiálu a měří odpovídající odezvu magnetoelastických charakteristik. Může být vybavena řadou čtyřkanálových multiplexerů MPX804R, které umožní připojení potřebného množství snímačů. Pro ojedinělá kontrolní měření se využívá přenosná měřicí jednotka, pro účely dlouhodobého monitoringu je vhodná stacionární verze s možností montáže do rackových systémů (obr. 3).

Obr. 1  Základní typová řada snímačů DSCS

Obr. 2  Mobilní měřicí jednotka NT804

Obr. 3  Stacionární měřicí systém

Měřicí systém je vybaven uživatelským softwarem, který automaticky vytváří výstupy z naměřených hodnot ve formě grafů. Umožňuje pořízení přehledného záznamu z procesu napínání předpjaté konstrukce i zobrazení vývoje napětí dlouhodobě monitorovaných prvků v konstrukci přímo na místě (obr. 4).

Obr. 4  Záznam z napínacího procesu dodatečné předpínací výztuže

Aplikace

Měřicí systém lze využít ke kontrole stavu nejrůznějších předpjatých konstrukcí, jako jsou zemní kotvy, nosníky a desky, železobetonové konstrukce, zavěšené a předpjaté mosty. Lze sledovat samotný předpínací proces, průběžně kontrolovat dodržení předepsaného technologického postupu, provádět jednorázové či periodické kontroly stavu konstrukce nebo dlouhodobý kontinuální monitoring. Měřicí systém je možné začlenit do komplexního monitorovacího systému (Bridge Monitoring System) a využít pro pravidelnou diagnostiku sledovaných konstrukcí. Tento měřicí systém byl využit na řadě staveb v ČR, SR i v zahraničí. K nejvýznamnějším aplikacím patří dále uvedené mostní a zavěšené konstrukce.

Kontrola napětí v táhlech zavěšeného mostu v průmyslové zóně Třinec-Baliny

Měřicí systém byl použit pro ověření hodnot mechanického napětí ve třech táhlech zavěšeného mostu. Vzhledem k dodatečné aplikaci na již hotovou mostní konstrukci musely být instalovány dělené snímače pomocí speciálního navíjecího zařízení. Přestože je tento způsob technologicky podstatně náročnější a podává méně přesné výsledky, lze ho použít na stávající konstrukce a realizovat potřebná měření (obr. 5, 6 a 7).

Obr. 5  Zavěšený most v průmyslové zóně Třinec-Baliny – navíjení snímače, 1. fáze

Obr. 6  Zavěšený most v průmyslové zóně Třinec-Baliny – navíjení snímače, 2. fáze

Obr. 7  Dělený snímač na táhle mostu v průmyslové zóně Třinec-Baliny

Monitoring napětí v dodatečné předpínací výztuži mostu v Chotěbuzi

Most na hraničním přechodu v Chotěbuzi procházel náročnou rekonstrukcí, která spočívala v přikotvení pilířů a doplnění předpjatých kabe­lů do nosné konstrukce (obr. 8). Měřicí systém byl použit pro monitorování napětí v zemních kotvách i v dodatečných předpínacích kabelech. Snímače DSCS102 byly instalovány na chráničce kabelu s 12 prameny a měřeny v průběhu statické zatěžovací zkoušky mostu.

Obr. 8  Most v Chotěbuzi – snímače na dodatečných předpjatých kabelech

Monitoring napětí v závěsech střechy stadionu BC Place ve Vancouveru

Měřicí systém lze využít rovněž pro měření mechanického napětí v zavěšených a předpjatých ocelových a železobetonových konstrukcích, jako jsou například střechy sportovních stadionů, hal a budov s velkým rozpětím. V kanadském Vancouveru je na lanových závěsech zatahovací střechy stadionu BC Place instalováno 72 snímačů, které zajišťují kontinuální monitoring zátěže konstrukce sněhem a řídí automatické vyrovnávání tlaku pomocí vzduchových polštářů (obr. 9 a 10). Vlastní měřicí systém zde tvoří tři autonomní sestavy, které zahrnují měřicí jednotku a šest multiplexerů integrovaných do komplexního monitorovacího systému stavby.

Obr. 10  Umístění snímačů napětí na střeše stadionu ve Vancouveru

Závěr

Výhodou měřicího systému je především vysoká odolnost snímačů a dlouhodobá použitelnost v náročných terénních podmínkách. Odolávají působení tlakové vody, agresivnímu zemnímu prostředí, vlivům eroze a počasí. Vzhledem k tomu, že se jedná o bezkontaktní nedestruktivní metodu, není nutné zasahovat do měřené konstrukce a měření lze realizovat bez přímého fyzického kontaktu, například přes antikorozní ochranu. Snímače mohou být zality v betonu a kompletně zakryty v rámci dalších technologických procesů výstavby. Měřicí systém proto nalezne uplatnění zejména v oblasti diagnostiky a dlouhodobého monitoringu stavu sledovaných konstrukcí v náročných terénních podmínkách. Může najít praktické využití i jako aktivační prvek signálních bezpečnostních systémů zabraňujících přetížení nosných konstrukcí různých stavebních objektů.

TEXT: RNDr. Pavel Obluk, MBA
FOTO: INSET

Pavel Obluk je vedoucím projektu DYNAMAG® ve společnosti INSET s. r. o.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.